南疆西部初雪气候特征及典型强初雪天气分析

努尔比亚·吐尼牙孜，赵海军，杨 鸿，艾克代·沙拉木，米日古丽·米吉提，贾孜拉·拜山

（1.喀什地区气象局，新疆 喀什 84400；2.临沂市气象局，山东 临沂 276000；3.克州气象局，新疆阿图什 845350；4.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830046）

南疆西部三面环山，东部为塔克拉玛干沙漠，天气系统受地形影响显著，降水形成机理复杂[1-3]。虽然南疆冬季降雪较新疆北部偏少，但是大到暴雪过程常有发生，降雪预报作为冬季预报服务工作的重点，特别是初雪预报备受各级政府部门和公众的广泛关注[4-6]。

自20世纪80年代以来，气象工作者对新疆降雪的气候特征、环流特点、动力过程及水汽条件等开展了大量的研究。如杨霞等[7]基于新疆北部1961—2018年冬季逐日降水量，研究了新疆北部地区不同类型暴雪的时空分布和环流特征，将新疆北部冬季暴雪的环流形势分为3类6型。杨莲梅等[8]基于1964—2010年新疆天山及其以北地区45个观测站逐日降水资料，以暴雪落区为标准将新疆北部持续性暴雪分为4类。庄晓翠等[9]分析新疆北部26次暖区强降雪天气过程的中尺度环境特征和降雪落区，总结出北疆暖区强降雪落区的三维空间配置模型。崔彩霞等[10]针对北疆暴雪做了全面的天气学分析，明确了北疆暴雪的中尺度环流特征。张云惠等[11]、陈春艳等[12]、李娜等[13]、李桉孛等[14]、张俊兰等[15]基于典型暴雪个例，从不同角度分析了暴雪的成因、多尺度特征和物理量配置，为新疆暴雪天气分析预报提供了预报思路。以上研究主要针对北疆暴雪，目前对南疆西部初雪的气候特征及雨雪转换机理的认识不能满足初雪精细化预报服务的需求，探讨南疆西部初雪发生发展的机理对提高当地降雪预报准确率，气象防灾减灾、趋利避害有重要的科学意义。

2020年11月南疆西部出现近10年来最强的初雪天气，当月累积降水量乌恰县突破近40年（1981—2020年）同期极值，喀什、阿图什、阿合奇等站降水量同期排名第二，喀什、阿图什降水量较1981—2010年气候值异常偏多624%和760%。虽然此次暴雪喀什地区气象台提前3 d发布了降雪专题预报，但因暴雪初期雨雪相态复杂，导致南疆西部积雪预报和精细化预报准确率偏低，其雨雪转换机制值得进一步探讨和总结。为了加深气象工作者对南疆西部初雪天气的认识，本文基于近60年南疆西部初雪气候特征，研究2020年11月异常降水发生的大尺度环流背景和强初雪天气的高低空配置，力求找出影响雨雪相态转换的主要因子，以期为南疆西部初雪和暴雪预报提供科学参考，提高对秋、冬季降雪的预报能力。

1 资料与方法

选取南疆西部16个气象站1961—2020年逐日降水量和天气现象资料，资料由新疆气象信息中心提供，数据进行了严格的质量控制和均一性检验。定义每年7月1日—次年6月30日，第一次出现日降水量≥0.1 mm且天气现象有雪的日期为初雪日。若某年无降雪，为了序列长度的同一性，用多年平均初雪日代替当年初雪日。文中小雪（0.3 mm≤日降水量≤3.0 mm），中雪（3.1 mm≤日降水量≤6.0 mm），大雪（6.1 mm≤日降水量≤12.0 mm），暴雪（12.1 mm≤日降水量≤24.0 mm）采用新疆气象局降水量级标准，气候平均值统一采用1991—2020年。

南疆西部地理位置特殊，地貌复杂多样，参照《新疆气象地理区划（试用版）》，结合气象要素分布情况，将南疆西部划分为山区和平原（图1），采用线性趋势分析和常规统计方法，分析南疆西部近60年初雪的气候特征。

图1 南疆西部站点分布

利用欧洲中心EAR5逐月平均0.25°×0.25°再分析资料，分析2020年11月南疆西部降水异常的500 hPa大尺度环流背景。基于欧洲中心ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料、国家气象卫星中心风云2G TBB资料分析2020年11月20—22日强初雪的高低空环流配置，中小尺度系统特征及雨雪相态差异的原因，选取全球资料同化系统（GDAS）分析资料，采用拉格朗日轨迹模式（HYSPLIT）分析强降雪的水汽输送特征。

2 分析与结果

2.1 初雪气候特征

1961—2020年南疆西部平原各站平均初雪日在12月5—22日，山区各站平均初雪日在10月4日—11月2日。由图2可知，平原地区初雪历年变化曲线与1991—2020年平均初雪日近似重合，其线性趋势线略呈下降趋势，倾向率为1.5 d·（10 a）-1，未通过α=0.05的显著性检验，表明近60年南疆西部平原地区初雪日稳定年际变化趋势不明显。山区初雪日变化与平原相反，历年变化曲线围绕多年平均值呈波动上升趋势，其线性倾向率为2.8 d·（10 a）-1，通过α=0.05的显著性检验，表明近60年山区平均初雪日呈显著延迟趋势。可见南疆西部山区初雪对气候变暖的响应较平原地区更为明显，山区初雪日的显著延迟将不利于当地山区积雪稳定和冰川补给。

图2 1961—2020年南疆西部初雪年际变化

由图3可知，南疆西部平原10月—次年3月均出现初雪，初雪日主要集中在11—12月，12月为峰值，次年1月后迅速减小，初雪日数10、11、12月、次年1、2、3月分别占总初雪日的2.3%、30.8%、47.4%、15.4%、3.6%、0.5%。11—12月为平原初雪多发月份，10和3月出现初雪的概率不足5%。南疆西部山区10月初雪频次最多，占总初雪频次的61.2%；其次为11和9月，分别占总初雪频次的31.6%和17.1%；8、1月最少，对总初雪日数的贡献不足2%。南疆西部平原10、3月和山区8、1月初雪均为小概率事件。

图3 1961—2020年南疆西部初雪月分布

为了进一步加深预报员对南疆西部初雪的认识，为破纪录初雪事件提供参考依据，普查近60年最早和最晚初雪日。平原地区异常偏早初雪时间较为集中，均出现在20世纪90年代之前的10月；近30年最早初雪出现在2018年11月3日（和田地区），其次为1993年11月6日（喀什地区）；而异常偏晚初雪时间分散，初雪最迟出现在2006年3月1—2日，其次为同年2月25日（表1）。

表1 南疆西部1961—2020年初雪日对比

2.2 2020年11月强初雪成因分析

2.2.1 实况

2020年11月20—22日，南疆西部普遍出现小量雨夹雪或雪，帕米尔高原北麓、中天山南麓浅山区和平原地区达中到大量，局地达到暴量（图4a）。过程累计最大降雪量为21.5 mm、最大积雪深度15 cm出现在阿图什市，强降雪时间集中在20日16：00—21日06：00，小时最强降雪量为1.3 mm，出现在20日22：00（图4b），过程最低气温下降8～10℃。此次初雪天气影响时间长，大部分地区降雪维持48 h，降雪强度强，累积雪量大，降雪分布不均匀，有中小尺度对流降水等特征，是南疆西部冬季一次极端性降雪天气。

图4 2020年11月南疆西部19日21：00—22日20：00累计降水量（a）和逐小时降水量（b）

2.2.2 初雪大尺度异常环流背景

2020年11月南疆西部降水距平百分率（R%），除麦盖提和塔什库尔干站偏少100%外，其余站降水量较历年同期偏多50%～685%。图5为500 hPa平均位势高度场及其距平分布。在20°～90°N、20°～120°E高纬呈现“一脊一槽”型分布，东欧为高压脊，北地群岛以东为低压槽；中纬呈现“两脊一槽”型分布，波德平原及新疆为高压脊，中亚为低槽；低纬呈现“两槽两脊”型分布，阿拉伯海地区低槽与中纬度中亚槽同向叠加，南疆西部处在狭长的槽区，槽前西南气流向盆地输送低纬水汽，为初雪天气提供有利的大尺度环流背景。

图5 2020年11月500 hPa平均位势高度（等值线）及其同期气候距平（阴影）

距平场显示，欧亚范围自北向南呈现异常的“-+-”距平分布，异常正距平以65°N（西西伯利亚平原）为中心南北递减转为负距平，强的南北向位势梯度利于中高纬度冷暖空气的强烈交汇和锋区的加强，促使水汽和能量的循环。同时中纬度自西向东呈现异常的“+-+”距平分布，异常正距平中心位于波德平原和西西伯利亚平原，负距平中心位于巴尔喀什湖，南疆西部处在2个异常正距平之间的负距平（大值）区前侧，表明2020年11月500 hPa欧洲高压脊、中亚低槽及蒙古高压脊等长波系统较常年异常偏强，下游蒙古脊的阻挡利于中亚低槽的稳定维持和加深，为11月南疆西部降水提供有利的天气尺度强迫抬升和水汽供应。2020年11月500 hPa大尺度环流与常年有明显差异，中纬度自西向东呈现的异常“+-+”距平分布是造成此次异常降水的主要原因。

2.2.3 初雪环流配置

此次天气的环流配置为典型的“东西夹攻”形势[16-20]，500 hPa主导系统为乌拉尔山高压脊，影响系统为深厚的中亚低涡和新疆东部低槽。由图6强降雪时段（2020年11月21日08：00）高低空环流配置可知，南疆西部处在200 hPa西风急流核左侧气旋性涡度大值区前侧和500 hPa中亚低涡前部的正涡度平流大值区，低层位于700～850 hPa东风急流顶端强烈风速辐合区及850 hPa冷高压西南部。南疆西部喇叭口地形对低层偏东急流的收缩和抬升作用，高层的辐散抽吸作用与低层偏东气流的耦合作用，为暴雪提供持久强有力的动力抬升条件；中高层深厚西南气流为南疆西部输送水汽和正涡度平流，同时500 hPa东疆槽后强冷平流导致低层冷高压加压，利于低层东灌形势的维持；700 hPa存在一支西方水汽输送通道，水汽主要来自西方地中海、黑海及里海等洋面。“东西夹攻”形势的维持为此次暴雪提供了充沛的水汽条件和强有力的动力抬升条件。

图6 2020年11月21日08：00位势高度场（实线，单位：dagpm）

2.2.4 强初雪水汽分析

选取暴雪中心阿图什站（39.73°N，76.22°E）模拟初始点经纬度，1 500、3 000和5 000 m高度层次为模拟初始高度，2020年11月21日02：00为模拟初始场，后向追踪5 d的三维运动轨迹，并采用簇分析法对各类轨迹进行聚类，得到：（1）1 500 m高度存在5条水汽输送轨迹，因帕米尔高原平均海拔高度3 000 m以上，境外1 500 m水汽对盆地降水的贡献可忽略不计，1 500 m高度水汽主要来自塔里木盆地南部，随东南风输送到达暴雪区的2条东路水汽。（2）3 000 m高度存在3条西路水汽和1条南路水汽输送轨迹。西路水汽分别来自土库曼斯坦、阿塞拜疆、德黑兰地区，水汽借西风气流经中亚向东输送至南疆西部，占3 000 m水汽输送总量的43%、22%、9%；南路水汽来自喀布尔地区，水汽向东输送至伊斯兰堡后再转向东北输送至南疆西部，占3 000 m水汽输送总量的26%。（3）5 000 m高度水汽输送轨迹复杂，共有6条通道。其中通道1水汽来自喀拉海，水汽向南输送经西伯利亚高原到达里海西部，再转向东借西风分量输送至南疆西部，该通道自5 500 m高度缓慢下降至4 000 m左右，越过帕米尔高原后抬升至5 000 m高度，占5 000 m高度水汽输送总量的35%；通道2和通道4均来自里海上空6 000 m左右高度，水汽借助西风分量向东输送至南疆西部，占输送总量的22%和17%；通道3和通道5相似，分别来自黑海东部6 000 m左右高空和北欧地区5 500 m左右高空，水汽经里海、中亚地区，继续向东输送到达南疆西部，仅占水汽输送总量的4%、9%；通道5源自土耳其上空3 500 m左右高度，水汽随西风输送至盆地西部的同时缓慢抬升与5 000 m高度水汽汇合，此通道占5 000 m水汽总量的13%。

暴雪过程中高层水汽的源地、输送路径有一定的差异。整体而言，中高层水汽主要来自欧洲、西西伯利亚、中亚等陆地和黑海、里海、喀拉海等海洋，低层水汽主要源自塔里木盆地南部随东风回流的水汽，低层偏东风在水汽的聚集及向上输送中有重要作用。值得关注的是，与已有的对南疆西部典型大降水的水汽输送特征的认识不同[17-20]，此次暴雪水汽主要来自偏西路径，东路和南路水汽输送不明显，2020年11月南疆西部降水异常是否与水汽输送路径有关，秋冬季西路水汽输送与极端降水有何关系，需要在今后的工作中进一步深入研究。

2.2.5 雨雪相态分析

南疆西部11月初雪预报关键在于准确的雨雪相态判别。20日阿图什2 m气温为1.5～2.4℃，13：00—16：00降水相态为雨，17：00转为雪，18：00转雨夹雪，19：00转雨，20：00再转稳定纯雪。喀什站气温为1.9～4.8℃，巴楚站气温为2.2～3.8℃，均以降雪为主，特别是与阿图什站相差约45 km的喀什市，在更高的气温条件下仍以纯雪为主，其雨雪转换机制值得进一步的分析和总结。

低层相对湿度由于能影响降水粒子融化和蒸发过程，故而也会影响到达地面的降水相态[21]。由地面相对湿度及气温差异可知（图7），巴楚、喀什市降雪起始时段2 m气温为3～4℃，阿图什2 m气温基本维持在1～2℃，而巴楚、喀什站相对湿度＜70%（19：00之前），阿图什站相对湿度＞90%接近饱和。当环境气温＞0℃雪花降落的过程中会发生融化，但由于喀什、巴楚低层环境较干，雪花融化过程中更容易蒸发，促使冰晶凝华故表现为固态降水，而阿图什低层环境接近饱和，融化的雪水不易凝华，故而表现为湿雪，由此可见较干的低层湿度差异是上述3站雨雪相态差异的原因之一。

图7 2020年11月20日08：00—22：00地面气温（红色线）、湿度（绿色线）变化

20日14：00温度—露点曲线显示，喀什700 hPa低层为干区，而中上层为深厚的湿区，云系主要位于中高层。分析南疆西部云顶亮温分布及时间变化可知（图8），20日14：00—16：00阿图什站TBB约-15℃，以低云降雨为主。16：00喀什上空新生β中尺度扁状高云，TBB中心值迅速下降达-32℃并出现降雪。17：00—18：00喀什站西南侧中β尺度云团向东北伸展，阿图什转为雪，但两站TBB仍相差10℃左右，即喀什上空云顶高度更高，发展较阿图什站旺盛，而巴楚站降雪时段TBB＜-30℃，始终以中高云降雪为主。在此次过程中，发现云底环境偏干而发展旺盛的高云较云底更为饱和的低云更有利于冰晶和雪花的形成，3站上空云的属性差异和低层饱和程度的差异是造成雨雪相态差异的重要原因。

图8 2020年11月20日南疆西部云顶亮温时间变化（a）及分布（b）

在实际预报和研究中，我国中部、东部平原地区常用1 000、925、850和700 hPa等特征层温度分析降水相态，我国东部地区常用的降雪指标是850 hPa温度＜-3℃[21-23]。南疆西部平原气象台站海拔高度为1 117.7～1 376.4 m，其中阿图什、喀什、巴楚站海拔高度依次为1 299.5、1 290.6、1 117.7 m。对比阿图什、喀什、巴楚站20日08：00—22：00对流层中低层850～700 hPa温度演变可知，对流层低层温度（850～800 hPa）存在较明显的波动，20日12时3站0℃层高度均下降至850 hPa，午后温度略有回升，850 hPa温度为0～1℃，20：00之后850 hPa温度再次降至0℃以下。800 hPa 08：00—10：00温度为-2℃，之后温度下降并稳定维持在-3℃。对流层中层（750～700 hPa）气温变化较平稳，750 hPa维持在-6℃，700 hPa为-11～-12℃。此次暴雪初期3站对流层中低层温度演变极为相似，表明对流层中低层温度差异并不是导致此次雨雪相态差异的重要影响因子。同时发现此次暴雪过程初期850 hPa温度为0～1℃时，各站为雨雪并存，当20日21：00温度稳定低于0℃时，各站为纯雪。结合地形和业务实际，850 hPa气温＜0℃可作为此次暴雪天气雨雪相态转换指标。由于基础海拔高度的差异，此指标数值高于同等压面的我国东部地区雨雪相态指标。

对比阿图什、喀什、巴楚站20日08：00—22：00低层温度平流演变可知，20日喀什、巴楚站摩擦层底部平流变化较平稳，喀什存在弱的暖平流，巴楚为弱的冷平流。阿图什边界层内08：00—13：00平流变化不明显，14：00转为暖平流并随时间加强，19：00—20：00平流强度最大为1.1×10-4℃/s，与850 hPa以上冷平流形成不稳定层结。强暖平流一方面促使强的垂直上升运动导致潜热释放，另一方面直接作用于边界层大气使其增温，为17：00—19：00雪转雨提供有利条件，此后太阳落山气温骤降，阿图什又转为稳定降雪。可见对流层低层温度平流对阿图什站雨雪相态的转变有重要的影响。降水时段阿图什低空气温处于雨雪临界状态，低层相对较强的气流脉动引起温度平流输送的变化是导致降水相态差异的原因之一。

3 结论

利用1961—2020年南疆西部16个气象台站气象资料，分析了盆地西部初雪的气候特征，以2020年11月强初雪天气为例，分析了异常降水的大尺度环流背景，暴雪发生的环流配置和水汽条件，基于多源资料重点讨论了暴雪初期各地雨雪相态转换差异的主要原因，得出以下结论：

（1）近60年南疆西部平原和山区初雪年际变化有差异。平原地区初雪变化不明显，山区初雪呈显著延迟趋势，山区初雪的年际变化不利于当地冰川补给和水资源稳定。平原地区初雪发生在10月—次年3月，其中78%的初雪出现在11—12月。

（2）此次暴雪发生在中纬度大尺度环流呈现异常“+-+”的距平分布和500 hPa典型的“东西夹攻”形势下，深厚的中亚低涡和新疆东部低槽的维持为暴雪提供了充沛的水汽条件和强的动力抬升条件。

（3）此次暴雪中高层水汽主要来自偏西路径，过程东路和南路水汽输送不明显；低层水汽主要源自盆地南部随东风回流的水汽，低层偏东风在水汽的聚集及向上输送中有重要作用。

（4）低层环境湿度、边界层温度平流及云层属性差异是造成阿图什、喀什及巴楚站降水相态差异的重要原因，云顶发展旺盛的冰晶云在干燥的低层环境下更有利于降雪。结合南疆西部地形和业务实际，850 hPa气温＜0℃可作为此次暴雪南疆西部雨雪相态转换指标。